(57)【要約】 【課題】  本発明は、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復することができる半導体デバイスの結晶質改善方法を提供することを目的とするものである。【解決手段】  本発明は、半導体デバイスの接合領域、若しくは半導体デバイスの接合領域及び前記接合領域の近傍に対し、又は半導体デバイスの表面領域、又は半導体デバイスの表面領域及び前記表面領域の近傍に対し、真空減圧下においてシアンイオンをイオン注入する工程と、前記イオン注入した半導体デバイスを高温下で熱処理する工程とからなり、結晶質の欠陥又は汚染を回復することができることを特徴とする半導体デバイスの結晶質改善方法の構成とした。【選択図】  図１
2007073545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの接合領域、又は半導体デバイスの接合領域及び前記接合領域の近傍に対し、真空減圧下においてシアンイオンをイオン注入する工程と、前記イオン注入した半導体デバイスを高温下で熱処理する工程とからなることを特徴とする半導体デバイスの結晶質改善方法。
【請求項２】
半導体デバイスの表面領域、又は半導体デバイスの表面領域及び前記表面領域の近傍に対し、真空減圧下においてシアンイオンをイオン注入する工程と、前記イオン注入した半導体デバイスを高温下で熱処理する工程とからなり、結晶質の欠陥又は汚染を回復することができることを特徴とする半導体デバイスの結晶質改善方法。
【請求項３】
熱処理が熱アニーリング又はレーザーアニーリングであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体デバイスの結晶質改善方法。
【請求項４】
半導体デバイスがＣＭＯＳ及びＣＣＤイメージセンサーであり、暗電流値及び暗電流電子数値を削減することができることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の半導体デバイスの結晶質改善方法。
【請求項５】
半導体デバイスがＭＩＳ型太陽電池であり、太陽電池光起電力値及び光電流密度値を増加させることができることを特徴とする請求項１、請求項２又は請求項３に記載の半導体デバイスの結晶質改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復することができる半導体デバイスの結晶質改善方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスには主としてシリコン（ケイ素）結晶が用いられるが、半導体デバイスとして使用するには超高純度の単結晶構造である必要があり、結晶質の欠陥又は汚染を改善する方法が種々発案されている。
【０００３】
特許文献１に記載されているように、熱処理により半導体ウエハの内部に酸素析出核を形成する工程と、半導体ウエハの表面層に水素イオンを注入する工程と、半導体ウエハに不活性ガス雰囲気中で熱処理を施すことにより半導体ウエハの内部に微小欠陥を成長させると共に注入された水素の還元作用を利用して半導体ウエハの表面を無欠陥層に変化させる工程とからなる半導体ウエハの欠陥低減法という発明も公開されている。
【特許文献１】特開２００４−２８２０９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、半導体デバイスのうち特に結晶質に鋭敏なＣＭＯＳイメージセンサー等の映像撮影電子デバイスやＭＩＳ型太陽電池等の太陽電池デバイスにおいては、熱や光エネルギーを付加するだけでは結晶質の欠陥又は汚染を改善するのに不十分である。
【０００５】
そこで、本発明は、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復することができる半導体デバイスの結晶質改善方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するために、半導体デバイス７の接合領域７ｄ、若しくは半導体デバイス７の接合領域７ｄ及び前記接合領域７ｄの近傍に対し、又は半導体デバイス７の表面領域７ｃ、又は半導体デバイス７の表面領域７ｃ及び前記表面領域７ｃの近傍に対し、真空減圧３下においてシアンイオン８ｃをイオン注入４する工程と、前記イオン注入４した半導体デバイス７を高温下で熱処理５する工程とからなり、結晶質９の欠陥９ｃ又は汚染９ｄを回復することができることを特徴とする半導体デバイスの結晶質改善方法１の構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、以上の構成であるから以下の効果が得られる。第１に、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復することができる。
【０００８】
第２に、ＣＭＯＳイメージセンサーの半導体デバイスに発生したシリコン結晶質の欠陥及び汚染などの結晶の乱れを回復させることにより、暗電流値及び暗電流電子数値を従来法に比べ大幅に削減することができる。
【０００９】
第３に、ＭＩＳ型太陽電池の半導体デバイスに発生したシリコン結晶質の欠陥及び汚染などの結晶の乱れを回復させることにより、太陽電池光起電力値及び光電流密度値を従来法に比べ大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明は、半導体デバイス製造時において接合領域又は表面領域に発生するシリコン結晶質の欠陥又は重金属等による汚染などの結晶の乱れを回復するという目的を、半導体デバイス７の接合領域、若しくは半導体デバイスの接合領域及び前記接合領域の近傍に対し、又は半導体デバイスの表面領域、又は半導体デバイスの表面領域及び前記表面領域の近傍に対し、真空減圧下においてシアンイオンをイオン注入する工程と、前記イオン注入した半導体デバイスを高温下で熱処理する工程とからなり、結晶質の欠陥又は汚染を回復することができることを特徴とする半導体デバイスの結晶質改善方法の構成とすることで実現した。
【実施例１】
【００１１】
以下に、添付図面に基づいて、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法について詳細に説明する。
【００１２】
半導体デバイスの結晶質改善方法１は、半導体デバイス７の接合領域７ｄ、若しくは半導体デバイス７の接合領域７ｄ及び前記接合領域７ｄの近傍に対し、又は半導体デバイス７の表面領域７ｃ、又は半導体デバイス７の表面領域７ｃ及び前記表面領域７ｃの近傍に対し、真空減圧３下においてシアンイオン８ｃをイオン注入４する工程と、前記イオン注入４した半導体デバイス７を高温下で熱処理５する工程とからなり、結晶質９の欠陥９ｃ又は汚染９ｄを回復することができることを特徴とする。
【００１３】
図１は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法の流れを示すフローチャートである。半導体デバイスの結晶質改善方法１は、半導体デバイス製造２、真空減圧３、イオン注入４、熱処理５、及び結晶質改善６の工程からなる。
【００１４】
半導体デバイス製造２は、シリコン等の半導体を使用して半導体デバイス７を製造する工程である。半導体デバイス７にはトランジスタやダイオード等があり、Ｐ型半導体７ａとＮ型半導体７ｂを接合（以下、Ｐ−Ｎ接合という。）する。
【００１５】
Ｐ型半導体７ａは、シリコンにボロン（ホウ素）などの３族元素を微量添加して正孔というプラスの電荷を持たせたものであり、Ｎ型半導体７ｂは、シリコンにリンやヒ素などの５族元素を微量添加してシリコン内を自由に動き回れる自由電子を生じさせたものである。
【００１６】
Ｐ−Ｎ接合すると電流を一方向にしか流さない整流作用を持たせることができる。半導体デバイス７の精度を向上させるには、特にＰ型半導体７ａとＮ型半導体７ｂの接合領域７ｄに欠陥がないことが要求される。
【００１７】
また、Ｐ型半導体７ａ及びＮ型半導体７ｂの電極を設ける表面領域７ｃや、異なる半導体を急峻な組成変化を示す界面により接合したヘテロ接合の場合の界面領域など、欠陥箇所が発生しやすい箇所、又は欠陥の発生に敏感な箇所が修復対象となる。
【００１８】
真空減圧３は、イオン注入４においてイオンや電子などの荷電粒子を加速するに際し、あらかじめ真空状態にしておく工程である。真空状態であると抵抗もないので、効率良く加速したり、任意方向に導くことができる。
【００１９】
イオン注入４は、イオン注入機８でシアンイオン８ｃを加速して、半導体デバイス７にシアンイオン８ｃをドーピング８ａ、８ｂする工程である。尚、イオン注入４については、図２及び図３で詳細に説明する。
【００２０】
熱処理５は、窒素やアルゴンなどの不活性ガス中で、熱アニーリングにより熱エネルギーを、又はレーザーアニーリングにより光エネルギーを、半導体デバイス７に付加する工程である。
【００２１】
熱アニーリングは、赤外線ランプを用いたＲＴＡ（急速熱アニール）装置により加熱する方法で、レーザーアニーリングは、レーザーを当てて加熱する方法であり、拡散炉を用いる場合に比べて、短時間で熱処理５を行うことができる。
【００２２】
結晶質改善６は、イオン注入４及び熱処理５を経ることで、シリコン結晶の欠陥又は重金属等による汚染などから回復し、機能の向上した半導体デバイス７を得ることができる工程である。
【００２３】
図２は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法のイオン注入の状況を示す図である。イオン注入４は、イオン注入機８を用いて、半導体デバイス７にイオンをドーピング８ａ、８ｂする。
【００２４】
図２における半導体デバイス７は、Ｐ型半導体７ａとＮ型半導体７ｂをＰ−Ｎ接合したものであり、半導体デバイス７の表面領域７ｃにドーピング８ａ、又は接合領域７ｄにドーピング８ｂする。尚、ヘテロ接合の場合についても同様である。
【００２５】
Ｐ型半導体７ａ及びＮ型半導体７ｂは、共にシリコンの結晶質９であるが、微量に添加された不純物の種類により異なる性質を有し、接合領域７ｄ及び表面領域７ｃの電子状態が性能を維持するのに重要である。
【００２６】
ドーピング８ａ及びドーピング８ｂは、イオン注入機８によりイオンを加速して、半導体デバイス７に注入することであり、表面領域７ｃ及び表面領域７ｃの近傍、又は接合領域７ｄ及び接合領域７ｄの近傍にシアンイオン８ｃを注入する。
【００２７】
イオン注入機８は、イオン等の荷電粒子を加速し、イオンビームを照射する機器である。イオン注入４においては、電界で数十ＫｅＶ（キロエレクトロンボルト）のエネルギーを与えることによりイオンを加速する。
【００２８】
イオン注入４では、イオンに与えるエネルギーの大きさにより、イオンが半導体デバイス７の内部に到達する深さが決まる。尚、イオン注入４した際の不純物が到達する深さについては図４で詳細に示す。
【００２９】
図３は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法のイオン注入時の結晶質の状態を示す拡大図である。イオン注入４により、Ｐ型半導体７ａ又はＮ型半導体７ｂの結晶質９を回復する。
【００３０】
結晶質９は、各シリコン９ｂ原子が４つの結合手により共有結合を作り、正四面体状の立体的な結晶格子を構成しているが、図３においては、シリコン９ｂの結晶格子を正方形状の平面的な表現で示す。
【００３１】
シリコン（ケイ素）９ｂの結晶質９は、９９．９９％の超高純度が要求されるが、シリコン９ｂ原子が欠けてしまう欠陥９ｃや、シリコン９ｂ原子ではなく鉄などの重金属等に置き換わってしまう汚染９ｄなどが生じる場合がある。
【００３２】
イオン注入４では、結晶質９の欠陥９ｃ又は汚染９ｄのある箇所に対してシアンイオン８ｃをドーピング８ａするが、シアンイオン８ｃはシアン化水素（ＨＣＮ）をイオン化することにより利用する。
【００３３】
結晶質９ａは、イオン注入４により回復された状態である。欠陥９ｃのある箇所には、シアンイオン８ｃが入り込むことにより電気的悪影響を軽減する。具体的には、欠陥９ｃに起因して発生する漏れ電流値を減少させることができる。
【００３４】
また、汚染９ｄのある箇所については、シアンイオン８ｃと鉄などの重金属等が化学的に結合し、より安定した不活動体になる。シアンイオン８ｃと重金属等とは結合しやすいため、汚染９ｄによる電気的悪影響を軽減することができる。
【００３５】
これを裏付ける例として、重金属等が半導体デバイス７の表面領域７ｃに存在している場合に、液体中のシアンイオン８ｃに触れると、シアンイオン８ｃと重金属等とが結合して液体中に放出される。
【００３６】
図４は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をＣＭＯＳイメージセンサーに使用した場合におけるイオン注入後の不純物の深さを比較したグラフであり、図５は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をＣＭＯＳイメージセンサーに使用した場合における暗電流の値を比較した表である。
【００３７】
ＣＭＯＳイメージセンサーは、デジタルカメラ等に使用される１／６インチＶＧＡ用３．７５μｍ×３．７５μｍの画素を有する映像撮影用の半導体デバイス７の一つであり、１個のフォトダイオードによる受光部と、４個のトランジスタからなる信号増幅部とを１つの部品としたものである。
【００３８】
尚、ＶＧＡは、コンピュータのディスプレイ装置の解像度及び表示色数などに関する規格の一つであり、ＶＧＡの解像度は、横６４０×縦４８０ドットである。また、画素（ピクセル）は、画像を構成する最小の単位要素である。
【００３９】
電源電圧は、受光部が２．５Ｖ（ボルト）、信号増幅部が１．５Ｖ（ボルト）であり、センサーとなる受光部は、基板であるシリコンウエハーの表層から０．２μｍ（マイクロメートル）下に形成される埋込型Ｐ−Ｎ接合フォトダイオードである。
【００４０】
イオン注入４は、受光部の結晶質９に欠陥９ｃ又は汚染９ｄがあると予想される表面領域７ｃ又は接合領域７ｄの位置に、不純物であるシアンイオン８ｃをドーピング８ａ、８ｂする。
【００４１】
表面領域７ｃ又は接合領域７ｄが半導体デバイス７内のどれくらいの深さに形成されているかにより、イオン注入機８でシアンイオン８ｃに与える加速電圧のエネルギーの大きさを調整する必要がある。
【００４２】
図４のグラフ１０に示すように、加速電圧を４０ＫｅＶ（キロエレクトロンボルト）とすると、深さが約２００ｎｍ（ナノメートル）において、比較例１１、比較例１１ａ及び比較例１１ｂともに不純物濃度がピーク値となる。
【００４３】
尚、比較例１１、１１ａ、１１ｂは、ドーズ量（イオン注入量）を変位させて測定した結果であり、比較例１１では、１．０×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  でイオン注入４し、比較例１１ａでは、１．０×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  でイオン注入４し、比較例１１ｂは、１．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  でイオン注入４したものである。
【００４４】
比較例１１の場合の不純物濃度は、１ｃｍ３  あたり１．０×１０１５〜１．０×１０１６ａｔｏｍｓであり、比較例１１ａの場合の不純物濃度は、１ｃｍ３  あたり１．０×１０１６〜１．０×１０１７ａｔｏｍｓであり、比較例１１ｂの場合の不純物濃度は、１ｃｍ３  あたり１．０×１０１７〜１．０×１０１８ａｔｏｍｓである。
【００４５】
また、図５の表１０ａに示すように、加速電圧を４０ＫｅＶ（キロエレクトロンボルト）でイオン注入４した比較例１１、比較例１１ａ及び比較例１１ｂは、従来法１１ｃよりも暗電流値及び暗電流電子数値が減少する。
【００４６】
尚、ＣＭＯＳイメージセンサーは、イオン注入４後に、ＲＴＡ（急速熱アニール）装置を使用して、約８７５℃の温度で約４０秒間の熱アニールによる熱処理５を施したものである。
【００４７】
ＣＭＯＳイメージセンサーのノイズの元となる暗電流は、受光部であるフォトダイオード本体及び周辺部のＰ−Ｎ接合形成時に発生したシリコン結晶の欠陥９ｃ又は汚染９ｄ等の結晶質９の乱れに起因して発生する。
【００４８】
イオン注入４を行わない従来法１１ｃは、２５℃において暗電流が１ｃｍ２  あたり０．４５ｎＡ（ナノアンペア）、暗電流電子数が１秒間あたり３０４個であるのに対し、比較例１１は、暗電流が１ｃｍ２  あたり０．２０ｎＡ（ナノアンペア）、暗電流電子数が１秒間あたり１３３個と、約５６％削減することができる。
【００４９】
また、比較例１１ａは、暗電流が１ｃｍ２  あたり０．１２ｎＡ（ナノアンペア）、暗電流電子数が１秒間あたり８０個と、約７３％削減することができ、比較例１１ｂは、暗電流が１ｃｍ２  あたり０．１８ｎＡ（ナノアンペア）、暗電流電子数が１秒間あたり１２０個と、約６０％削減することができる。
なお、ＣＭＯＳイメージセンサーを例にあげて、実施例を説明したが、ＣＣＤイメージセンサーにも容易に適用できる。
【実施例２】
【００５０】
図６は、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をＭＩＳ型太陽電池に使用した場合における性能改善効果を比較したグラフである。太陽電池は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、半導体デバイス７のＰ−Ｎ接合領域に光を当てると起電力が生じることを利用する。
【００５１】
ＭＩＳ型とは、金属、絶縁体及び半導体を接合した半導体デバイス７であり、使用するＭＩＳ型太陽電池は、ＩＴＯ（インジウムとスズの酸化物）、ＳｉＯ２  （二酸化ケイ素）、及び多結晶Ｐｏｌｙ−Ｓｉ（ポリシリコン）を接合したものである。
【００５２】
ＭＩＳ型太陽電池の光電流密度値及び太陽電池光起電力値は、多結晶ポリシリコンの多結晶に起因する欠陥９ｃ又は汚染９ｄ等の結晶質９の乱れにより、不十分なものとなることがある。
【００５３】
ＭＩＳ型太陽電池に対するイオン注入４は、ＭＩＳ型太陽電池を製造後、保護膜や集光機能を付加する以前の状態で行う。グラフ１０ｂは、加速電圧を３０ＫｅＶ（キロエレクトロンボルト）として、ドーズ量（イオン注入量）を変位させて測定したものである。
【００５４】
比較例１２は、２．０×１０１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  でイオン注入４した場合、比較例１２ａは、２．０×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  でイオン注入４した場合、比較例１２ｂは、２．０×１０１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ２  でイオン注入４した場合であり、従来法１２ｃは、イオン注入４しない場合である。
【００５５】
尚、比較例１２、１２ａ、１２ｂについては、イオン注入４後に、ＲＴＡ（急速熱アニール）装置を使用して、約７００℃の温度で約４０秒間の熱アニールによる熱処理５を施す。
【００５６】
太陽電池光起電力を３００ｍＶ（ミリボルト）に固定して光電流密度を比較すると、従来法１２ｃでは、１ｃｍ２  あたり約２３ｍＡ（ミリアンペア）、比較例１２では、１ｃｍ２  あたり約３０ｍＡ（ミリアンペア）、比較例１２ａでは、１ｃｍ２  あたり約３６ｍＡ（ミリアンペア）、比較例１２ｂでは、１ｃｍ２  あたり約３４ｍＡ（ミリアンペア）である。
【００５７】
また、光電流密度を１ｃｍ２  あたり２０ｍＡ（ミリアンペア）に固定して太陽電池光起電力を比較すると、従来法１２ｃでは、約３５０ｍＶ（ミリボルト）、比較例１２では、約４４０ｍＶ（ミリボルト）、比較例１２ａでは、約５３０ｍＶ（ミリボルト）、比較例１２ｂでは、約５００ｍＶ（ミリボルト）である。
【００５８】
グラフ１０ｂに示すように、ＭＩＳ型太陽電池に対してイオン注入４して結晶質９を回復させることにより、ＭＩＳ型太陽電池の太陽電池光起電力値及び光電流密度値を大幅に増加させることができる。
【００５９】
以上のように、本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法１は、半導体デバイス製造２時において接合領域７ｄ又は表面領域７ｃに発生するシリコン結晶質９の欠陥９ｃ又は重金属等による汚染９ｄなどの結晶の乱れを回復することができる。
【００６０】
例えば、ＣＭＯＳイメージセンサーの半導体デバイス７に発生したシリコン結晶質９の欠陥９ｃ及び汚染９ｄなどの結晶の乱れを回復させることにより、暗電流値及び暗電流電子数値を従来法に比べ大幅に削減することができる。
【００６１】
また、ＭＩＳ型太陽電池の半導体デバイス７に発生したシリコン結晶質９の欠陥９ｃ及び汚染９ｄなどの結晶の乱れを回復させることにより、太陽電池光起電力値及び光電流密度値を従来法に比べ大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法の流れを示すフローチャートである。
【図２】本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法のイオン注入の状況を示す図である。
【図３】本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法のイオン注入時の結晶質の状態を示す拡大図である。
【図４】本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をＣＭＯＳイメージセンサーに使用した場合におけるイオン注入後の不純物の深さを比較したグラフである。
【図５】本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をＣＭＯＳイメージセンサーに使用した場合における暗電流の値を比較した表である。
【図６】本発明である半導体デバイスの結晶質改善方法をＭＩＳ型太陽電池に使用した場合における性能改善効果を比較したグラフである。
【符号の説明】
【００６３】
１        半導体デバイスの結晶質改善方法
２        半導体デバイス製造
３        真空減圧
４        イオン注入
５        熱処理
６        結晶質改善
７        半導体デバイス
７ａ      Ｐ型半導体
７ｂ      Ｎ型半導体
７ｃ      表面領域
７ｄ      接合領域
８        イオン注入機
８ａ      ドーピング
８ｂ      ドーピング
８ｃ      シアンイオン
９        結晶質
９ａ      結晶質
９ｂ      シリコン
９ｃ      欠陥
９ｄ      汚染
１０        グラフ
１０ａ      表
１０ｂ      グラフ
１１        比較例
１１ａ      比較例
１１ｂ      比較例
１１ｃ      従来法
１２        比較例
１２ａ      比較例
１２ｂ      比較例
１２ｃ      従来法
【図１】
2007073545.tif 000003
【図２】
2007073545.tif 000004
【図３】
2007073545.tif 000005
【図４】
2007073545.tif 000006
【図５】
2007073545.tif 000007
【図６】
2007073545.tif 000008